Жизнь науки

Капица С. П.

Нужно заметить, что неопределенность при определении положения касательной плоскости к некоторому контуру не совсем того порядка, как неопределенность, с которой мы встретились бы, если бы вздумали провести, например, касательную в какой-либо точке береговой линии Бретани, пользуясь для этого картой того или другого масштаба. Сообразно с масштабом, положение касательной менялось бы, по в каждой точке можно провести только одну касательную. И это потому, что карта ость лишь условный чертеж, где уже по построению всякая линия имеет касательную. Напротив, для наших хлопьев характерно (как и для берега, если вместо того, чтобы изучать его очертания по карте, мы рассматривали бы его непосредственно с более или менее далекого расстояния) именно то, что, в каком бы то ни было масштабе, мы подозреваем в структуре такие детали, которые абсолютно не позволяют придать дааса-тельпой какого-либо определенного положения.

Равным образом

мы остаемся в области реальности, доступной опыту, когда, приближая глаз к микроскопу, видим броуновское движение, волнующее каждую частицу эмульсин, плавающую в жидкости. Для того чтобы провести касательную к ее траектории, мы должны были бы найти, хотя приблизительно, предельное положение прямой, соединяющей два положения частицы, взятые в два момента времени, очень близкие друг к другу. Но, поскольку позволяет судить опыт, это направление меняется положительно сумасшедшим образом по мере того, как мы уменьшаем промежуток времени, разделяющий эти моменты. Таким образом, у непредубежденного наблюдателя в процессе наблюдения слагается мысль, что здесь перед ним функция, не имеющая производной, а не кривая, имеющая касательную.

Я говорил пока о контуре или о кривой, так как обыкновенно пользуются кривыми, чтобы на них выяснить понятие о непрерывности. Не было бы логически равноценным, а с физической точки зрения даже и более общим, рассматривать изменение от точки к точке какого-нибудь другого свойства материи, например плотности или цвета. И в этом случае мы встретились бы с совершенно подобными сложностями.

По классическому представлению, мы можем разложить всякий предмет на столь мелкие части, что они будут практически однородными. Другими словами, считается, что по мере постепенного сжатия контура, различия в свойствах материи внутри этого контура делаются все менее и менее резкими.

Однако, если такое представление и не опровергается опытом, то все же можно сказать, оно крайне редко подтверждается наблюдаемыми фактами. Наш глаз тщетно будет искать практически однородную область, хотя бы и чрезвычайно малую, на поверхности руки, письменного стола, деревьев или почвы. И если бы нам показалось возможным ограничить достаточно однородную площадку, положим, на поверхности древесного ствола, то достаточно подойти поближе, чтобы разглядеть на коре дерева предполагавшиеся детали и заподозрить существование еще новых более мелких деталей. Если наш глаз не в силах уже различить их, мы прибегаем к лупе или микроскопу; и тогда, наблюдая при возрастающем увеличении выбранные нами участки, мы открываем на них все новые и новые детали, и, наконец, дойдя до предела возможного увеличения, мы видим изображение дифференцированным значительно больше, чем то, которое мы наблюдали невооруженным глазом. Живая клетка, например, совсем не однородна: в ней можно различить сложную структуру, состоящую из нитей и зерен, плавающих в неоднородной плазме; глаз угадывает там еще какие-то особенности, которые он бессилен воспринять более определенно. Таким образом, кусочек материи, который, как мы рассчитывали сначала, мог бы оказаться однородным, на самом деле оказывается «бесконечно губчатого» строения, и для нас не остается никакой надежды отыскать в конце концов «однородный» или, по крайней мере, такой кусочек вещества, свойства которого изменялись бы от точки к точке в правильной последовательности.

Не нужно думать, что только живая материя представляется нам бесконечно губчатой, бесконечно дифференцированной. Обуглив только что изученный нами кусочек коры, мы получаем кусочек древесного угля с бесчисленными порами. Не легко разложить на малые однородные части почвы, горные породы. И, пожалуй, единственными образчиками вещества, непрерывного в своих свойствах, окажутся кристаллы вроде алмаза, жидкости вроде воды и газы. Таким образом, понятие непрерывности составлено нами в результате совершенно произвольного подбора и сопоставления данных опыта.

Впрочем, следует помнить, что, несмотря на то, что внимательное исследование заставляет нас вообще считать строение изучаемых объектов в высшей степени неправильным, мы можем с пользой для дела приблизительно представить свойства их при помощи непрерывных функций. Хотя дерево бесконечно губчато, но мы говорим о поверхности бревна, которую нужно обстругать, или об объеме воды, вытесненном обрубком, как о чем-то непрерывном. Можно будет иной раз сказать, с некоторой дозой преувеличения, что правильная непрерывность может служить изображением явлений, подобно тому как листок олова, которым мы вздумали бы обернуть губку, воспроизводил бы ее контуры в общих чертах, не следуя за тонкими и сложными ее извивами.

жащую в данный момент массу т/г. Частное m/v есть средняя плотность внутри этой сферы, а предел этого отношения называют истинной плотностью в данной точке. Это равносильно

утверждению, что в данный момент средняя плотность внутри малой сферы постоянна, если только* мы не выходили из известных пределов объема. Средняя плотность может оказаться несколько различной, если один раз мы будем брать сферу в 1000 куб. метров, а в другой раз в 1 куб. см; но в случае изменения размеров сферы от 1 куб. см до 1 куб. мм она не изменится более чем на 1/1000 000. Но в этих пределах рассматриваемых объемов будут иметь место неправильные изменения плотности, порядка одной миллиардной (причем уклонения от среднего значения весьма завпсят от движений, существующих в нашем веществе).

Будем, далее, уменьшать объем. Колебания плотности не только не* выравняются, но сделаются еще значительнее и еще беспорядочнее. Возьмем размеры сферы в 1/10 куб. микрона (в таких малых объемах весьма сильно дает себя чувствовать броуновское движение)колебания плотности могут достичь (для воздуха) размера 1/1000 средней величию* плотности; если размеры сферы сделаются в 1/100 куб. микрона, то колебания дойдут до значения в 1/5 средней плотностп.

Сделаем еще шаг: радаус сферы принимает размеры радиуса молекулы. Тогда, вообще говоря (в случае газа), наша сфера окажется в меяс-молекулярном пространстве, а, стало быть, средняя плотность сделается, равной нулю: истинная плотность в данной точке также равняется нулю. Но может оказаться (с вероятностью приблизительно 1:1000), что точку мы выбрали как раз внутри молекулы; тогда средняя плотность окажете» сравнимой с плотностью воды, то есть окажется в 1000 раз большей, чем* то, что мы поверхностно считали истинной плотностью газа.

Уменьшим еще размеры нашей сферы. За исключением крайне редких случаев, она будет продолжать находиться по-прежнему в пустоте — так-как и строение атома прерывно: истинная плотность в данной точке опять, оказывается равной нулю. Но в одном случае из миллиона равно возможных выбранная нами точка может оказаться внутри корпускулы, или центрального ядра атома; тогда плотность для сферы чрезвычайно малого* радиуса возрастет до громадной величины и сделается в несколько миллионов раз большей, чем плотность воды. Если сфера будет продолжать, сокращаться, то, может быть, мы будем находиться в области непрерывного, до достижения ею нового порядка малости, но, вероятнее всего (а особенно для области ядра, где радиоактивные явления заставляют предположить крайнюю сложность строения), средняя плотность скоро достигнет опять значения нуля и сохранит его при дальнейшем сокращении^ равным образом истинная плотность, за исключением некоторых весьма¹ редких точек, где она будет иметь значения большие, чем в предыдущих случаях, будет равняться нулю.

Короче говоря, результат, к которому приводит нас атомистика, следующий: плотность вещества повсюду нуль, за исключением бесконечно-то числа особых точек, где она имеет бесконечно большое значение ^[94] .

Подобного рода рассуждения можно было бы вести для всякого рода •свойств, каковы, например, скорость, давление, температура, которые кажутся нам непрерывно и закономерно изменяющимися. Эти свойства также окажутся все более и более неправильными по мере того, как мы будем увеличивать масштабы той, все-таки мало совершенной, модели, какую мы составляем себе относительно Вселенной. Плотность, как мы видели, была равна нулю во всех точках пространства; выражаясь более •общим образом, всякая функция, которая изображает изучаемое нами физическое свойство (допустим, электрический потенциал), представит в междумолекулярном пустом пространстве континуум с бесконечным числом особых точек, изучить которые пам должны помочь математики ^[95] .

94

Я упростил вопрос. На самом деле, в выражение плотности должно входить время, и средняя плотность, если мы ее определяем для малого объема У, окружающего данную точку в данный момент, должна вычисляться для некоторого малого промежутка времени , включающего и этот момент. Средняя масса, содержащаяся в объеме V, за этот промежуток , имеет выражение - J mdt, а средняя плотность о есть вторая производная от массы по объему и по времени. Ее изображение в виде функции двух переменных дало бы бесконечно извилистую поверхность.

95

Те, кто интересуется этим вопросом, с пользой прочтут сочинения Э. Бореля, в особенности его прекрасную лекцию: «Молекулярные теории и математика» (вступительная лекция в Гаустонском университете и в Revue genrale des sciences, ноябрь 1912), в которой выясняется, каким образом математический анализ, который был создан для потребностей физики непрерывного, должен быть подновлен теперь для потребностей физики прерывного.